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浅谈高清监控摄像机技术

从2009年开始,各监控摄像机厂商开始向市场推出高清监控摄像机,由于安防行业目前还没有高清摄像机的技术标准,因此更多的是采用了高清电视标准的部分指标。
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  高清概述

  从2009年开始,各监控摄像机厂商开始向市场推出高清监控摄像机,由于安防行业目前还没有高清摄像机的技术标准,因此更多的是采用了高清电视标准的部分指标。

  ATSC标准 (Advanced Television Systems Committee)中定义了18种数字电视格式,其中分辨率为720×576的格式属于标清电视,分辨率为1280×720和1920×1080的格式属于高清电视,这就是通常说的720p、1080i与1080p,其中i代表隔行扫描,p代表逐行扫描,这三种格式都采用16:9的宽屏幕。1080i的格式,实际上是采用1920×540的隔行扫描的标准。因为逐行扫描并不将一帧分为交替的扫描线,所以可提供更高的图像质量。因此,720p能提供比1080i更小的损失和更好的图像,而1080p是这18种格式中图像质量最好的格式。

  目前安防行业内所说的高清监控摄像机主要是指分辨率为720p与1080p两种格式的数字摄像机,其画面宽高比定义为16∶9。

  与传统视频监控系统一样,高清视频监控系统同样由前端摄像机、传输设备、显示设备、存储设备、管理平台构成。由于前端摄像机的高清化与网络化,使得传输、显示、存储以及管理平台的技术与实现发生了重大变革,从而改变了安防行业的整体结构与布局。大量的IT硬件、软件厂商、运营商纷纷进入到安防行业,他们带来的全新理念同时也影响了安防行业的发展。

  高清视频监控的发展,起源于高清监控摄像机,高清监控摄像机的技术在高清视频监控系统中至关重要。 [nextpage]

  高清监控摄像机技术要素

  画面宽高比

  不论是720p还是1080p,其画面宽高比都是16∶9,从图1对比可以看出,在大部分场景,16∶9画面在获得更宽的监控范围同时,还显著地减少了无用图像。

  扫描方式

  720p与1080p,意味着高清监控摄像机采用逐行扫描方式。对于移动目标的图像采集,相对隔行扫描,逐行扫描可以获得更好的动态图像,从图2对比可以看出,对于快速移动的目标,隔行扫描将产生拖尾现象。

  敏感元件与灵敏度

  敏感元件是摄像机最为核心的部件,在模拟摄像机以及标清网络摄像机中,最为广泛使用的敏感元件是CCD。CCD的特点是灵敏度高,但响应速度较低,不适用于高清监控摄像机采用的高分辨率逐行扫描方式,因此高清监控摄像机普遍采用CMOS敏感元件。

  对于相同尺寸的敏感元件,像素越高,意味着每个像素的进光量越少,因此目前高清监控摄像机的突出问题是清晰度提高,灵敏度降低。幸运的是,目前致力于CMOS研究的厂商已经研发出720p与1080p专用的CMOS器件,其灵敏度性能已经与CCD接近(敏感元件的整体发展趋势可参见图4)。

  色彩还原

  需要特别注意的是,高清电视与高清监控摄像机在图像内容处理上有很大的不同。高清电视强调整体的视觉冲击力,除了在图像分辨率上比标清有很大的提升外,其色彩也更加丰富、艳丽、细腻,图像层次感强,根据SMPTE 292M高清电视标准及SMPTE 274M高清电视标准,其色差信号占总带宽的一半。

  而高清监控摄像机则强调目标的可识别性,即大幅度提升了图像的分辨率,而相对弱化对色彩的处理,这样处理的优势是在保证画面的分辨率与可识别性的同时,视频信号的码流得到了很好的控制。

  图像压缩技术

  目前在高清监控摄像机中被广泛采用的图像压缩技术有MJPG、MPEG-4、H.264三种方式,图3是这三种压缩方式带宽占用情况。每种压缩方式有不同的特点,如MJPG能获得最高的单幅画面质量,且对摄像机本身的处理平台要求也较低,但对连续图像压缩占用带宽最大;H.264可以获得最高的压缩比,但对摄像机本身的处理平台要求也最高。

  为适应各种不同的网络环境和应用需求,比较高端的高清监控摄像机都配备强大的MJPG、MPEG-4、H.264三编码引擎,同时具有灵活的双码流功能。

  前端智能化

  随着监控的高清化发展,图像更清晰、更细致,高清也意味着海量数据,这些海量数据的传输、显示、处理、存储是一个很大的挑战。此外,目前的监控系统,更多的是依赖于监视人员,存在很多无法解决的问题,是被动式的监控。因此,必须利用智能视频分析的手段,将以往被动监控变更为主动监控,真正做到24小时全天候监控,实现快速响应,防范于未然。[nextpage]

  目前的智能视频实现方式主要有两种。

  1、后端智能

  后端处理(图5),需要把高帧率、高分辨率的图像全部送到后端的服务器进行处理。这对网络设施和服务器提出了非常高的要求,需要高额的投资,而且延时更大,处理效率比较低,系统的伸缩性较差。并且,由于分析的数据是压缩后的数据,因此准确性相应降低,如果受传输制约而降低传输带宽,准确性将进一步降低。

  2、前端智能

  即前端的智能网络摄像机实时的进行智能处理,这是基于压缩前的最高品质图像进行的实时处理,因此效率更高,实时性更好,准确性更高。从图6可以看到,前端智能的方式对后端的传输、存储、显示不会产生影响,是分布式的处理架构,以此构成的系统伸缩性较高,系统的扩容也不需要付出较大的成本。

  由于把所有的智能视频分析功能都放到前端,因此对摄像机本身的处理能力要求相当高,目前只有个别高端的厂商的高端产品可以实现前端智能功能。

  反篡改技术

  自从网络监控诞生,监控视频的安全性就成为一个重大的问题。

  反篡改技术是基于公共密钥基础结构(PKI)的数字签名技术。

  通过为每部摄像机创建一个数字证书,并对该摄像机制作的所有图像,应用元数据形式的数字签名,使用此方法可以保证一部摄像机制作的图像,仅对该摄像机来说是唯一的图像。

  当网络摄像机遭受黑客攻击的时候,系统将自动发现被篡改并产生报警,从而保证整个系统的安全性。

  PoE技术

  PoE技术的应用大大简化了视频安防系统的布线、安装与调试工作,PoE供电可提供12.95W的功率,因此目前市面上销售的大部分网络枪机与半球都支持PoE供电。但市面上正在销售的网络球机,由于功率太大,无法实现PoE供电,仍然需要另外敷设电源电缆。

  随着网络技术的不断发展,新的hPoE标准将提供更高的功率,从而满足网络球机的供电要求。从各大摄像机生产厂商的新产品发布会看来,支持hPoE的网络快球即将于近期上市。

  标准化与开放性

  由于视频监控系统的规模越来越大,多级系统、多站点、多区域非常普遍,同时同一系统里不同厂商的产品共存、新老产品共存也经常出现,因此网络摄像机的标准化变得越来越重要。标准化的目的是使得不同厂商的产品能互联互通,这样客户才能真正享受到网络监控带来的灵活高效。

  由Sony、AXIS和Bosch联合发起的ONVIF的目的就是推动网络摄像机的标准化和互操作性,目前已有103个参与成员。

  ONVIF规范描述了网络视频模型、接口、数据类型和数据交换方式,为网络视频发送设备与网络视频客户端的通讯定义了标准流程。通过使用这些接口,使得使用不同厂商的视频发送设备来组建一个统一的网络视频系统成为可能。

  ONVIF规范接口功能涵盖设备的自动发现、设备的管理配置、事件处理、PTZ控制、视频分析及实时音、视频流处理。[nextpage]

  模拟摄像机的传统功能

  模拟摄像机的许多功能,如宽动态、日夜转换、白平衡、降噪、伽玛校正等功能,是在视频监控行业发展的过程中逐步产生、提升的,对应于不同的应用场景,高清监控摄像机同样也应该具备这些功能。这也正是传统摄像机生产厂商的技术优势。

  其它功能

  其它如语音报警、数字防抖、FTP、Email、DDNS、存储插槽、无线网络等功能,在某些特定场景与应用下也可以解决客户的许多实际问题。

  结语

  技术的发展与进步是为了解决用户不断涌现的新需求、新应用服务的。只有真正深入研究用户的需求,并不断地将新技术与应用相结合,从而满足并拓展用户的需求的产品才会有生命力,高清监控摄像机也是如此。

  一场高清监控摄像机的竞争序幕即将拉开,我们将拭目以待。

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